青藏高原東部及鄰近地區(qū)的地殼-地幔耦合變形

青藏高原東部及鄰近地區(qū)的地殼-地幔耦合變形

自20世紀90年代以來，振幅帶數(shù)字觀測技術在地球科學研究中取得了很大進步。利用地震儀在世界范圍內(nèi)接收的地震記錄被應用于地震學、地殼結(jié)構和地殼動力學。在許多科學研究中，我們關注地幔各向異向的異向異向和相關動力學問題。一般來說，地幔的不同向異向性是由地幔物質(zhì)變形引起的橄欖巖鉻結(jié)構的優(yōu)勢方向引起的。地幔物質(zhì)變形的原因可能不同，但最直接的原因是板塊運動。板塊的運動速度在很大程度上決定了地幔各向異向的大小和方向。在當前的大陸動力學研究中，有必要深入研究大陸下復雜的深部結(jié)構及其演化過程以及地殼-地幔界面變形等重要問題。地幔各向異性研究是解決這些問題的有效手段之一。青藏高原是印度洋板塊與歐亞板塊碰撞的產(chǎn)物高原的巖石圈及其下方的地幔變形特征的研究是深入探討兩大板塊碰撞和青藏高原隆升機制的一個重要部分.長期以來,許多地球科學家一直關注青藏高原下方的地幔變形問題,并進行大量與地幔變形有關的介質(zhì)各向異性研究.由于觀測技術和條件的限制,青藏高原地區(qū)寬頻帶地震臺站很有限,這些研究提出的上地幔各向異性圖像是初步的.2000年以來,中國國家數(shù)字地震臺網(wǎng),和云南、四川、甘肅和青海等區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)相繼建成.與此同時,一批重點科研項目分別在川、滇、藏地區(qū)布設流動地震臺網(wǎng).這些臺站投入運行后,在青藏高原東部形成了較稠密的地震觀測,它們的寬頻帶數(shù)字地震記錄有助于高原東部以及鄰近地區(qū)上地幔各向異性和與地球動力學有關問題的地震學研究.1高原中部地區(qū)研究區(qū)域為青藏高原東部以及鄰近的川滇地區(qū)(18°～37°N,90°～108°E,圖1).青藏高原及其周邊地區(qū)的變形非常獨特,高原四周圍繞著地球表面最大的彌散大陸變形帶.高原平均海拔超過5000m,平均地殼厚度60～70km,且其內(nèi)部存在多種變形方式.高原內(nèi)部自南至北由雅魯藏布地塊、藏北地塊、羌塘地塊、巴顏喀拉地塊和柴達木地塊組成.高原外圍是一個扇形排列的寬闊的壓縮帶,其壓縮主軸方向與地形的梯度方向相平行.歐亞板塊和印度板塊碰撞帶的東喜馬拉雅構造結(jié)位于高原的東南部,這里匯集了喜馬拉雅、藏北、羌塘、巴顏喀拉地塊和雅魯藏布江、班公-怒江、金沙江縫合帶.在高原東部,新生代以來經(jīng)受強烈的變形和斷裂錯動表現(xiàn)為高原隆升和塊體旋轉(zhuǎn)等復雜的變形和運動狀態(tài).位于青藏高原東緣的松潘-甘孜塊體(巴顏喀拉地塊的東部)和龍門山斷裂帶,在兩個地質(zhì)時期經(jīng)歷了強烈的地殼變形和斷裂作用:主要的變形發(fā)生在晚三疊紀和早侏羅紀,較年青的變形則發(fā)生在晚新生代.前一個事件產(chǎn)生了松潘-甘孜塊體的所有褶皺,以及該塊體東部的局部高度變質(zhì)作用.它們與塊體內(nèi)部較大的深成活動相聯(lián)系.后一個事件比前一個事件弱得多.它表現(xiàn)在微弱的地殼縮短,但卻有顯著的高原隆升.研究區(qū)域包括位于云南、四川和西藏等地區(qū)的幾個大陸內(nèi)部地震帶(“南北地震帶”的一部分).該地區(qū)強烈的地殼運動至今仍然在繼續(xù).據(jù)有歷史記載以來,該地區(qū)發(fā)生6.0級以上強震333次,是中國大陸地震活動最強烈的地區(qū)之一.2基于“疊加”分析方法的遠震事件地震探測本文的觀測資料來自國家數(shù)字臺網(wǎng),云南、四川、青海和甘肅區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng),以及布設在云南和川西藏東地區(qū)的寬頻帶流動地震臺網(wǎng)總共116個臺站的遠震記錄.這116個臺站中有59個為固定臺站.另外的58個為流動臺站,包括中美合作西藏PASSCAL流動地震觀測,川西藏東流動地震觀測,以及中國地震局地球物理研究所在云南東部地區(qū)流動地震觀測的臨時臺站.用作SKS波(或SKKS波)偏振分析的遠震事件是在2000～2006年期間全球地震目錄中挑選出來的,其震級大于6級,震中距為85°～110°.當震中距為85°～110°時,SKS波是近似垂直入射的.在各向同性介質(zhì)中,S波在穿過核幔邊界時,S波是徑向偏振的只有徑向分量(SV波),沒有切向分量(SH波).如果地幔存在各向異性層,則SKS波穿過地幔時會分裂成一對偏振方向正交的快、慢波,質(zhì)點運動由原來的線性偏振變?yōu)闄E圓偏振.一般用參數(shù)對(φ,δt)描述SKS波分裂,其中φ表示快波偏振方向,δt表示快、慢波的到時差.“疊加”分析是提高臺站SKS波分裂測量質(zhì)量的有效方法.它首先用SC方法(即最小切向能量的網(wǎng)格搜索法)分析不同方位的單個事件確定的各向異性參數(shù)及其誤差,誤差估計采用95%的置信度.然后對由一組由遠震事件得到的臺站下方各向異性參數(shù),采用類似于Vinnik等提出的分裂參數(shù)法做“疊加”處理.假設某一臺站有N個不同反方位的地震事件,對其中的一個事件i,在網(wǎng)格搜索過程中,不同的參數(shù)對(?,δt)對應不同的切向能量Et(?,δt)i等值線.首先將切向能量Et(?,δt)i用其最小切向能量作歸一化處理,然后將N個事件的切向能量Et(?,δt)i按照Et(?,δt)i=∑Et(?,δt)i進行求和,并用網(wǎng)格搜索Et(?,δt)i中最小的切向能量,與之相對應的那個參數(shù)對便是該臺站下方最終的各向異性參數(shù),其相應的誤差估計也作同樣的處理.對于不同信噪比、從不同方位來的遠震SKS波,這種方法能夠提高結(jié)果的可靠性.對于干擾背景較大的流動臺站,效果尤為明顯.川西藏東地區(qū)固定臺站很少,流動地震臺站填補了該地區(qū)的觀測空缺.由于海拔高、高程變化大,交通不便,流動臺站一般只能沿公路布設,地震記錄的噪音背景較高,因而單個地震事件的SKS波分裂測量的誤差較大.本文對每個臺站的SKS波分裂測量結(jié)果是在單個遠震事件的SKS波分裂測量的基礎上,用“疊加”方法分析該臺站所有遠震事件測量結(jié)果而取得的.3固定人工臺-nb表1列出研究范圍內(nèi)116個臺站的SKS波分裂測量結(jié)果,其中誤差估計采用Wolfe等的方法.總體而言,固定臺站觀測條件較好,背景噪音低,且觀測時間較長,記錄中可用于分析的遠震事件多,因此SKS波分裂測量的質(zhì)量高.從表1看出,大多數(shù)屬于A類分裂測量質(zhì)量的臺站,其方位誤差在10°以內(nèi),時間延遲的誤差在0.2s以內(nèi).除部分短周期臺站外,絕大多數(shù)固定臺站的測量質(zhì)量屬于A類.在臨時臺站中,川西藏東地區(qū)沿北緯30°線(318國道雅安—林芝段)的流動地震觀測雖然觀測條件較差,但兩年左右的觀測獲得可用于SKS分裂分析的遠震記錄較多,并且在單個事件分析的基礎上進行“疊加”分析方法,因而多數(shù)臺站的分裂測量質(zhì)量仍可達到A類.圖2顯示了藏東地區(qū)的DNB臺站(DNB為臺站代碼,見表1,下文中臺站名均用代碼表示)從兩個遠震事件(2005-01-06,08:25,Mw6.2;2005-03-30,17:41,Mw6.2)獲得的SKS分裂分析結(jié)果與使用“疊加”處理后結(jié)果的比較,其中兩個分裂參數(shù)誤差較大的事件,經(jīng)過疊加之后最終分裂參數(shù)的誤差明顯減小.表1中的云南地區(qū)各臺站SKS分裂參數(shù)的結(jié)果比以前發(fā)表(未用“疊加”方法處理)的結(jié)果有所改善.4云南區(qū)域快波偏振方向與區(qū)域構造方向一般認為,地殼和上地幔都普遍存在介質(zhì)的各向異性.Hess提出,地殼的各向異性產(chǎn)生的SKS波分裂的延遲時間為0.1～0.3s,而上地幔各向異性產(chǎn)生的延遲時間為1.0～2.0s.McNamara等分析青藏高原莫霍界面的PS轉(zhuǎn)換波的分裂,求得地殼的延遲時間為0.17～0.26s,它只占SKS波分裂的延遲時間總量的1/5左右.因此,用SKS波分裂測量獲得的各向異性可以認為主要是由上地幔各向異性所引起的.根據(jù)青藏高原東部及鄰區(qū)地震臺站的遠震SKS波形資料的偏振分析結(jié)果,我們繪制了該地區(qū)的上地幔各向異性圖像(圖3).在高原內(nèi)部,在沿拉薩到格爾木公路布設的地震臺站的上地幔各向異性快波方向在南端(SANG)為N52°E,往北逐漸轉(zhuǎn)向北東(ERDO為N73°E),至格爾木為近東西向(N88°E),再往東則快波偏振逐漸轉(zhuǎn)至南東方向.例如,位于高原東部的MAQI,其快波方向為S48°E,YUS為S75°E,RTA為S33°E;位于川西高原的SOA,其快波方向為S45°E,MEK為S38°E,LUH為S51°E,DFU為S40°E,DNB為S40°E位于四川盆地的CD2,其快波方向為S55°E,JJS為S71°E,YGD為S52°E,LZZ為S56°E.因此,從高原內(nèi)部至東緣,快波方向總體上呈現(xiàn)順時針方向.位于高原東北緣的一些臺站(例如DLH,HYQ,SHG,HEZDBU,WUD和PIL等),快波方向為近東西向至南東東向.在高原東南部臺站均位于喜馬拉雅東構造結(jié)以北,其中一些臺站(如TMY,BAS,DNB,WDABDA,TTO,MNK和CAD)的快波方向顯示出近似地與構造走向平行.位于班公-怒江縫合帶的嘉黎斷裂帶上的3個臺站(BMI,ZHB,SHR)快波方向顯示分散的特征.高原東南部地區(qū)的各向異性強度相對較弱,大多數(shù)臺站的延遲時間小于1.0s.云南區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)和流動地震臺網(wǎng)的有效遠震記錄的偏振分析結(jié)果,顯示出云南地區(qū)各向異性強度相對較大,快慢波延遲時間δt變化范圍為0.61～1.65s,平均值為1.04s.同時,云南南部與北部之間快波偏振方向的差異很大.云南南部地區(qū)的快波偏振方向從滇西南的S60°～70°E(如TCG的S60°E,WDI的S62°E,CAY的S59°E,BSH的S66°),逐漸轉(zhuǎn)變到滇東南的近東西向(如WSH的N80°E,GEJ的N89°E).在滇西北部和川西南部地區(qū),快波偏振方向為近似的南北向(如ZHD的N2°W,XAC的N8°W,LIJ的N8°E,QJA的N2°E).在26°～27°N之間,快波偏振方向變化急劇,如JCH為S8°E,HEQ為S42°E,YSH為S5°E,PZH為S71°E,DUC的N9°E以及HDN為N84°E.根據(jù)高原內(nèi)部與外部的云南地區(qū)快波偏振方向的綜合分析,發(fā)現(xiàn)在二者之間存在地幔各向異性的過渡帶.地震臺站的遠震記錄提供了對這個過渡帶位置的有效約束.SKS波分裂圖像清晰地顯示出,該過渡帶位于26°～27°N之間,即從滇西北的劍川、麗江、永勝向東至攀枝花、會東和昭通.它位于喜馬拉雅構造帶向東延伸線上,距離東喜馬拉雅構造結(jié)大約150km.過渡帶以南地區(qū)的快波偏振方向從滇西南的S60°～70°E逐漸轉(zhuǎn)變到滇東南的近東西向.過渡帶以北的滇西北部和川西南部,快波偏振方向為近似的南北向.從地形起伏看,這里是高原地形邊界、高程急劇減小的地區(qū).從地殼深部看,它是地殼物理參數(shù)(如地殼厚度、布格重力異常和構造應力方向等)的變化帶.圖4顯示了在研究區(qū)域范圍內(nèi)最小主壓應力方向分布,它是根據(jù)哈佛大學發(fā)布的1976年以來淺源地震的地震矩張量解和中國有關研究所確定的1920年以來淺源地震的震源機制相應應力軸方向繪制的.在滇西北和川西南部地區(qū),即26°～27°N之間,最小主壓應力方向發(fā)生明顯變化,其變化的規(guī)律與該地區(qū)快波偏振方向基本一致.雖然這一橫向過渡帶與地表的斷裂走向不一致,但從地殼到上地幔,其地球物理場都具有橫向過渡的特征,因而在地球動力學上具有重要意義.5殼潭耦合-解耦變形模型全球定位系統(tǒng)(GPS)作為一項現(xiàn)代先進的觀測技術,對地殼運動速度場的觀測結(jié)果在地球科學中有著廣泛的應用.圖5顯示了由GPS測量得到的青藏高原東部及其周邊的速度場(相對于穩(wěn)定的歐亞板塊).從圖中可以看出,印度大陸向北運動,高原內(nèi)部各個地塊向北運動速率逐漸減小,運動方向也逐漸轉(zhuǎn)向東北方向.在拉薩地塊,沿印度板塊與歐亞板塊會聚的方向上,擠壓縮短的應變率為(20～30)×10-9a-1在羌塘地塊的中西部,應變場為近南北向的擠壓和東西向的拉伸,量值在(15～25)×10-9a-1.在青藏高原的東部,應變場表現(xiàn)出明顯的近南北向拉伸,量值為(20～30)×10-9a-1.位于青藏高原東南的川滇地區(qū),應變強烈且方向變化較復雜,東西向的擴展和南北向的擠壓特征大致是清晰的.當前已經(jīng)提出兩種在板塊驅(qū)動力假設下的殼幔變形的運動學模型,即垂直連貫變形模型(VerticalCoherentDeformation)和簡單軟流圈流動模型(SimpleAsthenosphericFlow).前者預示板塊強烈地耦合于地幔.后者則預示板塊自驅(qū)動,并由力學上軟弱的軟流圈與地幔有效解耦,地幔變形歸因于軟流圈頂部和底部的差異速度(圖6).當?shù)貧ず偷蒯Ｖg存在一層軟弱的、流動的物質(zhì)時,作用在地殼上的力就不能傳遞到地幔.此時,不同的力驅(qū)動地殼和地幔的變形,因而它們之間是解耦的.這稱之為殼幔耦合-解耦變形模型.對于青藏高原內(nèi)部,SKS分裂的快波方向與地表變形場的最大剪切方向平行,用左旋剪切巖石圈變形模型可以取得對地表的GPS測量和上地幔各向異性之間最佳的擬合,因此其下方的地幔變形來源于垂直連貫變形.這一結(jié)論與前人的結(jié)果相一致在高原東部(包括川西高原地區(qū)),與高原內(nèi)部相同存在上地幔各向異性方向與地表變形場的最大剪切方向平行的現(xiàn)象.在缺少GPS測量資料的川西藏東地區(qū),其上地幔各向異性方向與主要構造帶的走向平行,這可以作為地殼變形與上地幔變形連貫的證據(jù).青藏高原內(nèi)部地殼和地幔之間強烈耦合,可以用其下方的地殼浮力能夠傳遞到上地幔來解釋.然而當前不少研究推測,青藏高原中部存在軟弱的下地殼,物質(zhì)可能以韌性方式流動.本文取得的高原內(nèi)部和東部的垂直連貫變形的結(jié)果表明,下地殼不應具有解耦的性質(zhì),因而應當是硬的.這兩種觀點似乎并不相容,需要進一步研究.云南地區(qū)位于青藏高原的外部,SKS分裂的快波方向與地表變形場的最大剪切方向明顯不一致.云南地區(qū)的地殼結(jié)構研究表明,下地殼總體上呈正常的速度分布(6.6～6.8km/s),僅在某些局部地區(qū)存在的低速下地殼.因此,變形分析中可以不考慮下地殼的解耦作用.對云南地區(qū),垂直連貫的巖石圈變形模型顯然無法獲得與快波偏振方向相適應的最大剪切方向.在簡單軟流圈流動模型(圖6)中,由軟流圈頂部和底部的速度所確定的差異速度必須與快波偏振方向平行.在巖石圈各向異性可以忽略的前提下地表速度場等于巖石圈底部(即軟流圈頂部)的速度因此,簡單軟流圈流動模型可以看作是一種特殊的殼幔解耦模型.作用在云南地殼上的地殼浮力不能傳遞到下軟流圈地幔,在這種情形下,地幔的變形只能受碰撞邊界條件的控制.云南的地殼和地幔的變形各自受不